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摘要本文简要介绍绝对零度的发展史，并对一些新的逼近绝对零度的方法做更加详细的解释。从这些方法的原理和制冷效果出发，思考绝对零度“能量的低限”的内涵。同时考虑到能量可以有低限，也可能存在高限，即可能存在负温度系统。本文引入这一观点并加以解释。

01定义

绝对零度（absolutezero），是热力学最低温度，是理论上的温度下限值。热力学温标的单位是开尔文（K），绝对零度就是开尔文温度标（简称开氏温度标，记为K）定义的零点，等于摄氏温标零下.15度。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越高，物质温度就越高：理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，根据热力学定律，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何系统必然存有能量和热量，同时不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。此空间内所有物质完全没有粒子振动，其总体积并且为零。

02绝对零度逼近史

开尔文勋爵从热力学第二定律出发，提出以热量作为测定温度的工具，即把热量作为温度的唯一量度，就可以建立不依赖于任何测温物质的温标——开氏温标，亦称热力学温标，符号为K(开尔文，简称开)年，实验物理学家卡末林·昂尼斯进驻莱顿大学，并创建了历史上最重要的低温研究中心——莱顿实验室。他的首要目标，就是把最后未被液化的两个气体——氢气和氦气给液化，得到更低的温度环境。昂尼斯花了十余年时间终于通过低温下把高压氢气迅速膨胀，他于年获得了液态氢。液氢在常压下沸点是21K，如此低的温度下，氧变成淡蓝色的固体。年7月10日，昂尼斯在莱顿实验室第一次观察到了透明的液氦。液氦在常压下沸点仅为4.2K，创下所有气体沸点的低温记录。液氦在常压下4.2K沸腾，如果进一步节流制冷，可以达到1.5K左右的低温。在如此低的温度下，液氦还会展现出超流现象。这时氦虽然处于液态，但其中的氦原子之间几乎不存在范德华力，于是液氦就完全失去了黏性。目前1K-10K的低温一般都用此方法获取。年，国际计量大会正式规定，一个标准大气压下，水的固液气三相点热力学温度为.16K。(罗会仟,)

03新的逼近方法

激光冷却温度在微观上指的是粒子运动的快慢。也就是说，组成物质的粒子运动越快，那么这个物体的温度就高。粒子完全不进行热运动的时候，就定义为绝对零度。激光冷却有很多方法：多普勒冷却，蒸发冷却，速度选择相干布局捕陷等。所有的方法只有一个目的，就是把激光做成“光学镊子”。用这个镊子约束微粒，使其运动速度显著的降低，即分子热运动降到非常弱的程度。越来越多的粒子被夹住，那么物体的温度就随之下降。这就是激光冷却。年，科罗拉多大学博尔德分校的一个小组和麻省理工学院一个由凯特尔（Ketterle）领导的小组，将原子气体冷却到1微开尔文以下（绝对零度以上的百万分之一度）。在这个过程中，他们发现了一种新的物质形式，即玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种凝聚态中，粒子不再独立运动，而是分步前进。年，麻省理工学院的科学家通过激光冷却的方法将钠气体冷却到新的最低温度—绝对零度以上十亿分之五十，第一次将气体冷却到1nK以下。(Leanhardt,)绝热去磁原子核的自旋磁矩比电子自旋磁矩要小得多，故原子核磁矩间的相互作用也比电子磁矩间的相互作用弱得多。直到mK温度范围，核磁矩仍然是混乱取向，因此可以用核绝热去磁法降温。此法由C.J.戈特和N.库尔蒂分别于年和年提出，通常以稀释致冷预冷，用超导磁体产生强磁场，使核自旋磁化，再绝热去磁。年库尔蒂成功地使金属铜的核自旋温度冷却到16μK。后来用二级核绝热去磁使核自旋温度达到50nK的低温，第一次观察到铜中核磁矩的自发反铁磁排列。(Juha,)

04负温度—有能量高限的温度系统

绝对零度通常被认为是最冷的温度。但是现在研究人员表明，在一个奇怪的“负温度”领域，他们可以达到甚至更低的温度。新的观点认为：温度存在于一个实际上是一个循环，而不是线性的尺度上。正温度构成回路的一部分，负温度构成回路的另一部分。当温度在这个尺度的正区域低于零或高于无穷大时，它们会以负区域结束。在正温度下绝对零度时，原子会占据最低的能量状态。当物体被加热时，原子能达到更高的能级。在循环温度下，原子将占据所有的能量状态。负温度则与正温度相反——原子更可能占据高能态，而不是低能态。德国慕尼黑大学物理学家乌尔里希·施耐德（UlrichSchneider）说：“玻尔兹曼分布的倒转是负绝对温度的标志……温度刻度不会以无穷大结束，而是跳到负值。”负温度的物体表现得很奇怪。例如，能量通常从正温度较高的物体流向正温度较低的物体，也就是说，较热的物体加热较冷的物体，较冷的物体冷却较热的物体，直到达到一个共同的温度。然而，能量总是从负温度的物体流向正温度的物体。从这个意义上说，负温度的物体比正温度的物体更热。负温度的另一个奇怪结果与熵有关。当具有正温度的物体释放能量时，它们会增加周围物体的熵，使其行为更加混乱。然而，当负温度的物体释放能量时，它们实际上可以吸收熵。(al.,)为了产生负温度，科学家建立了一个系统，在这个系统中，原子所能拥有的总能量是有限的。首先将大约个原子冷却到几个纳开尔文的正温度，也就是十亿分之一开尔文。他们在真空室（绝热）中冷却原子，还利用激光束和磁场网络来精确控制这些原子的行为。温度取决于原子有多少动能。激光束网形成了一个由完全有序的阵列，在这个“光学晶格”中，原子可以移动，但它们的动能是有限的。温度还取决于原子有多少势能，以及原子之间的相互作用有多少能量。研究人员利用光学晶格来限制原子的势能，并利用磁场来非常精细地控制原子之间的相互作用，使原子具有吸引力或排斥性。温度与压力有关——温度越高，物体向外膨胀的越多，温度越低，物体向内收缩的越多。为了确保这种气体具有负温度，研究人员给它创造一个负压力，使它们相互吸引而不是相互排斥。绝对温度通常是正的。然而，在特殊条件下，高能态比低能态占据更多的负温度也是可能的。通过裁剪玻色-哈密顿量创造一个具有吸引力的负温度下的超冷玻色子相互作用系统。准正电子分布在上能带边缘出现尖峰，显示了几个晶格点的热平衡和玻色子相干。负温度于是产生了。(Choi,)参考文献al.BraunetS.(年JAN月).NegativeAbsoluteTemperatureforMotionalDegreesofFreedom.Science,页52-55.ChoiQ.Charles.(年JAN月03日).AtomsReachRecordTemperature,ColderthanAbsoluteZero.LiveScience.JuhaTuoriniemi.(年12月).Physicsatitscoolest.NaturePhysics,页11-14.LeanhardtPasquiniandAaronTom.(年09月11日).MITteamachievescoldesttemperatureever.MITnewsoncampusandaroundtheworld.罗会仟.(年03月).超导“小时代”之七冻冻更健康.物理,页-.